8.2.1. Вакуумные интегральные схемы

Это устройства (ВИС), где активными приборами являются электронно-вакуумные лампы, с размерами, близкими к размерам полупроводниковых транзисторов. Из-за более высокой скорости электронов (10⁶…10⁷м/с) они обладают лучшими частотными свойствами, чем кремниевые транзисторы, характеризуются более высокой радиационной стойкостью.

ВВИС используются холодные катоды, работающие на принципе электростатической (автоэлектронной) эмиссии.

Конструкция ВИС с холодным катодом, выполненным в виде острия, изображена на рис. 8.8, а. Радиус закругления острияr_к= 20…30 нм. При подаче на анод напряженияU_a= 2…3 В создается электрическое поле напряженностью около 10⁹В/м. Плотность тока автоэлектронной эмиссии достигает 10⁶…10⁷А/м², то есть даже выше, чем при термоэлектронной эмиссии.

Другой тип холодного катода, применяемого в ВИС, - это катод на МДП структуре. Соответствующая конструкция ВИС приведена на рис. 8.8, б. В данном случае в качестве диэлектрика используется тонкая (1,5 нм) пленка двуокиси кремния (SiO₂), а в качестве катода – тонкая металлическая пленкаAl, покрывающая поверхность окисла. Работа выхода электронов из металла, χ_м, больше, чем работа выхода из кремния,. При подаче прямого смещения +U_кна катод, электроны из подложки (n-Si) через пленкуSiO₂туннелируют в металлическую пленкуAlи обеспечивают эмиссию электронов из структуры. При отрицательном напряжении на катодеU_кв приграничном слое кремниевой подложки на границеSi-SiO₂возникает обедненный слой и ток эмиссии насыщается. Плотность тока автоэмиссии достигает 10⁴…10⁵А/м².

Высокую плотность тока автоэлектронной эмиссии, до 8·10⁷А/м², обеспечивает катод на основе обратно-смещенногоp⁺-n⁺перехода с лавинным пробоем. Конструкция такой ВИС представлена на рис. 8.9.

Эмитирующий p₁⁺-n⁺переход формируется между областямиp₁⁺иn⁺. При подаче обратного напряженияU_обрнаn⁺-pпереход возникает лавинный пробой. При этом лавина электронов локализуется на поверхности структуры и перемещается к анодуА.

Электроды сетки Срасположены на диэлектрических балках, сформированных из двуокиси кремнияSiO₂.

8.3. Газоразрядные приборы

Это приборы использующие свойства электрического разряда в газе или парах металлов при давлении от 10^-1Па и выше. К наиболее распространенным газоразрядным приборам относятся стабилитроны (стабилизаторы напряжения) и тиратроны, выполняющие, в основном, функции генераторов релаксационных колебаний и коммутаторов. В газоразрядных приборах этого типа используется разновидность электрического разряда в газах – тлеющий разряд.

8.3.1. Физические процессы в тлеющем разряде

Простейший газоразрядный прибор представляет собой колбу с двумя электродами (рис. 8.10), в которую обычно закачивается инертный газ (Ne,Ar) под давлением 0,1 Па (атмосферное давление составляет приблизительно 10⁵Па). При приложении к электродам напряжения 50…100 В вследствие появления электрического поля возникают неупругие столкновения между ионизированными частицами газа. Эти столкновения приводят к дополнительной ионизации газа. В разрядном промежутке положительные ионы инертного газа двигаются к катоду, а электроны – к аноду. Обратный переход возбужденных атомов, ионов и молекул обычно сопровождается излучением фотона и получившаяся газоразрядная плазма начинает светиться. Это явление носит названиетлеющего разряда.

Распределение свечения в газоразрядном промежутке характеризуется следующими областями, изображенными на рис. 8.11, а:

1– катодная светящаяся пленка;2– область тлеющего свечения;3– темная область беспорядочного движения электронов;4– область положительного столба;5– анодная светящаяся пленка.

В непосредственной близости от катода электроны еще не набрали энергии, требующейся для возбуждения газа. Это область прикатодного темного пространства. Разгон электронов в электрическом поле приводит к уменьшению яркости свечения из-за снижения эффективности сечения захвата электронов. Однако в области 1-2происходит интенсивная ионизация атомов, в результате возникает обширная область положительного светящегося столба4. Распределение напряженности электрического поляEвнутри газоразрядного промежутка показано на рис. 8.11,б.